威立雅水務管網管理部（常州）管道陰極保護演示工程的設計

彭 程，李遠海，彭鐵軍，唐 虹

（湖南省永順縣第一中學，湖南湘西 416700）

本項目為常州威立雅水務管網管理部地下管道陰極保護，目的是進行陰極保護的演示實驗，講授陰極保護的極化過程以及電位分布測量。本項目為地下管道陰極保護演示工程，管道保護面積小，長度僅15m，管徑為Ф150mm，壁厚6mm，涂層為“三油兩布”，即三層環氧煤瀝青，兩層玻璃絲布，管道埋設在草坪下的土壤中，埋深1.1mm，土壤的腐蝕性較低。控制電位要求在-850mV（相對于飽和硫酸銅電極，下同）上下波動且控制精度高。綜合考慮，本設計根據管道的埋設特征，土壤腐蝕環境調查測量，供電電源及演示效果等具體分析，兼顧技術和經濟兩個指標，選擇強制電流陰極保護中的淺埋陽極地床技術。

1 執行標準

本陰極保護技術方案設計依據GB/T 21246—2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》、GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》、SY/T 0086—2003《陰極保護管道的電絕緣標準》、SYJ28—87《埋地鋼質管道環氧煤瀝青防腐層技術標準》、美NACE RP0169—96《埋地或水下金屬管道系統的外部腐蝕控制》、英BS7361—1991《陰極保護應用原則和特殊考慮》、GB8491—87《高硅耐蝕鑄鐵件》。

2 保護管道的腐蝕環境調查

土壤是一個由氣、液、固三相物質組成的復雜體系，其三相組成隨溫度、氣候、季節等因素的變化而改變，由此導致土壤的電阻率、氧化還原電位、pH值、含水率、透氣性等特性改變；同時土壤中伴有一系列微生物的新陳代謝活動，這些都是引起管網腐蝕的因素。根據現場的測量，土壤的氧化還原電位為486mV（相對氫標準電極），pH=8.4，土壤的自然電位為529～536mV，并且進行了現場取樣分析，分析結果見表1。

表1 土壤取樣分析結果

從現場測量的結果和取樣分析結果綜合來看，土壤的氧化還原電位都大于400mV，依據SY/T0087—95《鋼質管道及儲罐腐蝕與防護調查方法標準》的規定，土壤的腐蝕性較小，土壤pH＞7，呈弱堿性，土壤腐蝕等級偏低，對金屬管道防護要求較低。土壤自然電位大于500mV，說明土壤腐蝕性較低。土壤電阻率在15～50Ω·m，屬于腐蝕性中等的環境。綜合考慮各個因素，土壤的腐蝕性較低，屬于低腐蝕性環境。

3 技術要求

1）采用外加電流陰極保護，陰極保護的演示實驗裝置設計。

2）要求能夠測量出極化電位。

3）要求沿線測量保護電位（至少3個點），并能顯示出電位變化梯度。

4 陰極保護方案設計

4.1 電流密度取值

由于管道所處的土壤環境腐蝕性較低，并且外防腐涂層為“三油兩布”，除了人為剝開的破損點，涂層的破損率很低，故保護電流密度取1mA/m2（I0）。

4.2 保護電流的計算

保護面積：S=π ·D·L=3.14×0.15×15=7.07m2

保護電流：I=I0×S=1×7.07=7.07mA

4.3 陽極選型

根據現場考察并對現場測試數據進行比較與分析，具有管道保護面積小，管道埋設淺，管道涂層較好，土壤腐蝕性弱等特點。兼顧技術質量與經濟，選取常用的輔助陽極，高硅鑄鐵陽極一支。

陽極規格：棒狀陽極，凈重1.5kg/支，尺寸：Ф25mm×300mm，消耗率，0.2kg/（A·a），工作電流密度10A/m2。

4.4 陽極壽命計算

T為陽極使用壽命，a；G為陽極總重量，1.5kg；g為陽極消耗率，0.2kg/（A·a）；I為陽極工作電流，7.07mA；K為陽極利用系數，取0.7～0.85。

代入數據得到：T=742a。

4.5 整流器設計

（1）陽極接地電阻計算

本設計中陽極垂直于管道埋設，土壤的平均電阻率取20Ω · m，對于單支立式陽極的接地電阻，根據GB/T21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中立式輔助陽極接地電阻RV1公式計算：

式中：PV1為單只立式輔助陽極接地電阻，單位為Ω；ρ為土壤平均電阻率，單位為Ω · m，這里取20Ω · m；La為輔助陽極長度（含填料），單位為m，這里為0.3m；Da為輔助陽極直徑（含填料），單位為m，這里為0.025m；t為輔助陽極埋深（填料頂部距地表面），單位為m，這里取0.5m。

代入數據后計算得到：RV1=36.2Ω

本設計中由于管道僅15m，附近沒有其他構筑物的影響，由于電纜短，電纜直徑比較粗，所以電纜電阻忽略不計，即回路電阻RT=36.2Ω，根據歐姆定律，總的回路電壓ET為：

I=保護總電流，7.07mA

根據計算，整流器的輸出很低，故選用高精度整流器，選2A/15V。

整流器規格如下：

輸入電壓：AC220V±10%單相或AC380V±10%三相，50Hz±1Hz；輸出電壓：15V；輸出電流：2A；電壓調整率≤5×10-3+10mV；電流調整率≤1mA；周圍與隨機漂移VP-P≤10mV；指示：電壓和電流表各一個，精度為2.5級或3位半數字電壓表和電流表和電流表各一個，電壓表精度±1%+2個字，電流表精度±2%+2個字；使用環境：-15～40℃，相對濕度＜90%。

4.6 電纜選型

（1）陽極供電電纜

陽極供電電纜的長度預計50m，根據電纜流過的最大電流及其長度，而且一般要求電纜上的壓降不大于2V，初步計算結果要求供電電纜截面積為16mm2，鎧裝。

（2）陰極電纜

陰極電纜由管道連至整流器，選用截面積為16mm2的電纜，鎧裝。

（3）參比電極電纜

在測試樁附近埋設一只參比電極，選用截面積為2.5mm2的電纜，電纜引致測試樁。

（4）零位電纜（測試電纜）

在參比電極附近從管道上引出測量線，選用截面積為10mm2的電纜，電纜引致測試樁。

4.7 管道絕緣設計

該工程中實驗管道為現場管網中一根，且管道之間有法蘭連接，沒有進行絕緣處理，根據設計要求，其他管道不在試驗范圍內，即不需要施加電流保護，為保證陰極保護系統保護效果，必須在管道兩端進行絕緣處理。

5 系統安裝設計

本設計中陽極垂直于管道安裝，距管道0.4m，埋深0.5m，陽極電纜與管道之間的連接采用鋁熱焊焊接。

6 陰極保護系統的測量

6.1 測試樁

在實際的陰極保護工程中，在沿管線每1000m距離處，分別設置陰極保護系統測試樁，以便通過定期測量陰極保護有關數據，了解和評定陰極保護系統的運行狀況并及時對管道保護進行評價。由于管道很短，故只需設置一個測試樁，安置在管道的北端，測試樁附近埋一只參比電極，并從管道上引出測量線，利用測量線和參比電極進行自然電位和保護電位測量。

6.2 電位測量

由于管道埋設在土壤中，埋深很淺，只有1.1m，故可以利用測量線和便攜參比電極按照一定距離（例如：2m）測量管道沿線的自然電位和保護電位，根據測量數據制作自然電位和保護電位分布圖，由圖可以看出電位變化梯度情況。

6.3 參比電極

在管道深度處安裝1只長效參比電極，將可以準確和可靠的測量極化電位，自然電位和保護電位，選用Cu/CuSO4參比電極。另外準備2只便攜參比電極，專用于電位測量。

7 系統報價

7.1 陰極保護材料、設備

按設計方案本項目配備主要材料設備

7.2 陰極保護系統造價

按設計方案本項目造價采用預算相關定額《建設工程工程量清單計價規范》、《上海市建設工程工程量清單計價指引》。